用于产生电流的燃料电池的双极板的制作方法

本说明涉及一种用于产生电流的燃料电池的双极板。本说明尤其涉及一种燃料电池、一种燃料电池堆、一种尤其用于制造双极板的增材制造方法、一种用于使燃料电池运行的方法以及一种具有燃料电池的飞行器。

背景技术：

1、燃料电池(又被称为原电池)将连续供应的燃料(通常是作为反应物的氢气)与氧化剂的化学反应能转换为电能。为此，燃料电池具有双极板作为电极，其具有用于限定地引导反应物的、经铣削而成的气体流动通道结构。反应物从气体通道向双极板中的流动是与气体流动通道中的压力、气体流动通道的截面形状、以及暴露于电极的面积相关的。在各种应用情况下重要的是，能够改变燃料电池的功率。在此，举例来说，例如可以通过改变阳极侧的氢气的压力来改变气体流量。替代性地或附加地，在阴极侧，空气可以不同程度地被纯氧气取代。燃料电池的快速响应行为例如对于航空应用来说非常重要(例如在着陆之前不久需要重新启动时)并且多年来一直是研究的主题。

2、可能值得期望的是，通过用于控制燃料效率的附加措施、尤其是通过布置在燃料电池内的措施来补充上述方案(上述方案全部是在燃料电池外的措施)。

技术实现思路

1、可以被视为目的的是，提供一种具有上述改进潜力的燃料电池。

2、此目的通过独立权利要求的主题来实现。其他实施方式自从属权利要求以及从以下说明得出。

3、根据第一方面，给出了一种用于产生电流的燃料电池的双极板。双极板具有带有第一表面的双极板主体，其中双极板主体被配置成藉由第一表面与电极相接触。双极板主体在第一表面上具有至少一个气体流动通道，其中气体流动通道限定第一气体流动通道侧壁和对置的第二气体流动通道侧壁。气体流动通道沿第一方向延伸并且被设置成用于使电极暴露于反应物。双极板还具有至少一个电导体，其中该至少一个电导体被配置成在双极板主体内在第一气体流动通道侧壁和/或第二气体流动通道侧壁后方至少部分地平行于第一方向延伸，其方式为：在向电导体施加电压的情况下，电导体形成电磁场，其中电磁场被设置成用于使反应物至少部分地朝电极的方向加速。

4、在此，电磁场可以通过使反应物加速来改善对燃料电池性能的快速控制。此外，电磁场直接产生作用，因为它直接位于气体流动通道中。附加地，电磁场可以帮助产生燃料电池的有时间限制的峰值功率，这例如在关键情况下是有利的。

5、对于燃料电池的构造而言，最重要的部件是双极板和膜-电极单元。它们是负责如下内容的多功能部件：即，将反应气体(h2和02)经由流动通道或气体通道均匀地分布到电极上；将热量和反应产物以水的形式从电池组件导出；将电池的阴极与相邻电池的阳极电连接；以及为较薄且机械性能较弱的膜-电极单元提供结构上的支撑。因此，理想的双极板材料应具有高导电性、低透气性、在酸性环境中的高耐腐蚀性、高机械强度和低成本等。在此，现有技术包括由高密度石墨(具有化学稳定性、高耐腐蚀性和高导热/导电性)制成的双极板。然而，石墨板较脆、机械强度低且制造成本高，原因是流动场通道必须经过铣削。因此，已经进行了多项研究，以开发用于制造双极板的更适合且更成本有效的材料，例如金属和复合材料。此外，使用金属材料可以实现应用其他制造技术，如冲压、液压成形、橡胶垫成形(gummipadformen)、微电腐蚀、电化学微加工和增材制造。

6、如果现在向双极板引入电导体，则可以通过向电导体施加电流来感生出磁场。

7、在此已知的是，磁场对运动的气体粒子具有影响。如果质量为m的气体粒子x以速度v运动经过空间并进入强度和方向为m的磁场，则气体粒子的方向发生变化并以加速度a加速。这一原理使反应物加速并因此可以施加朝向电极表面的力。因此增大了可供用于化学反应的反应物的量。

8、根据一个实施方式，该至少一个电导体是多个电导体。该多个电导体在此可以彼此平行地延伸并连接至共用的电源。在此，电源可以独立于燃料电池，或者至少部分地通过由燃料电池生成的电流被馈电。

9、根据另一个实施方式，该至少一个电导体具有金属，尤其具有铜、金或相似地导电的金属。

10、根据另一个实施方式，该至少一个电导体具有涂有石墨烯的碳纤维。碳纤维具有良好的导电性和导热性，电负性en具有相对较高的值，该值为2.50。

11、根据另一个实施方式，该至少一个电导体具有高温超导体。高温超导体是其超导性不同于常规超导体的材料，即，不是通过电子-声子相互作用产生的。在大多数情况下，这些材料并非如常见地是金属材料，而是陶瓷材料。一般来说，超导体是在低于所谓的跃变温度时其电阻突然趋于零或变得小到无法测量(小于1·10-20ω)的材料。

12、根据另一个实施方式，双极板主体具有陶瓷。作为陶瓷是指多种无机非金属材料，其大致可分为陶器、石器、石制品、瓷器和特殊物料等类型。

13、根据另一个实施方式，双极板主体具有碳纤维增强的塑料。碳纤维增强的塑料是一种复合材料，其中碳纤维被嵌入塑料基质中。基质用于连接纤维并填充间隙。在大多数情况下，选择环氧树脂材料作为基质。然而，其他热固性塑料或还有热塑性塑料也可以作为基质材料。

14、根据另一个实施方式，双极板主体具有碳纤维增强的碳。碳纤维增强的碳是完全由碳构成的复合材料。碳纤维增强的碳由被嵌入由碳构成的基质中的、直径约为5μm至10μm的碳纤维构成。它们使材料具有较高的机械稳定性。由碳构成的基质在此吸收自外部产生作用的力并将其分布在结构(gefüge)中。

15、根据另一方面，给出了一种燃料电池，其具有上述双极板。燃料电池还具有控制单元。该控制单元被设置成用于操控该至少一个电导体。通过操控可以以限定的方式感生出磁场，尤其还在双极板的各个位置、或者在燃料电池堆内的各个位置。因此，可以反映各种应用情况。控制单元在此可以是调节系统的一部分。在此，根据各个输入变量的变化来调节磁场。

16、根据一个实施方式，燃料电池被配置成能够经由第一气体线路与包含低温氢气的罐相连接。就此而言，“低温”是针对与极低的温度相关的物质、过程和特性的术语。该至少一个电导体是高温超导体。燃料电池被配置成与第一气体线路处于热相互作用，使得在第一气体线路中由低温氢气引起的散热来冷却高温超导体，并且燃料电池通过使第一气体线路暴露于由于燃料电池运行而产生的废热来加热低温氢气。就此而言，热相互作用是指：在第一气体线路中从燃料电池到低温氢气存在温度梯度。为此，可以引导第一气体线路穿过双极板主体。

17、根据另一方面，给出了一种燃料电池堆，其具有多个上述燃料电池。在此，燃料电池堆是指由彼此堆叠且以串联电连接的方式布置的一个或多个平面电池单体构成的复合体。堆叠结构在两端设有用于收集电流的所谓的集电板并且通过在大多数情况下为板状的且属于堆叠结构的绝缘部与所谓的端板电分离。端板布置在堆叠结构的两端且在大多数情况下通过贯穿螺栓(zuganker)相互连接。质子交换膜燃料电池是串联连接的电化学电池体系堆。由于必须使电子从电池的阳极迁移到下一个电池的阴极，因此通过板实现导电性是重要的前提条件。另一个重要要求是反应气体或离子的低透过性。双极板应长时间保持化学惰性。此外，双极板应较轻且借助于批量生产技术来制造。

18、根据另一方面，给出了一种用于制造上述双极板的方法、尤其是增材制造方法。该方法具有以下步骤。在开始时，提供电导体和热塑性绝缘材料。借助被设置成用于制造同轴线缆的打印头用热塑性绝缘材料来对电导体进行包覆。将同轴线缆放置至双极板主体，其中该双极板主体在第一表面上具有至少一个气体流动通道。如果现在向电导体施加电压，则电导体形成电磁场，其中该电磁场被设置成用于使反应物至少部分地朝与双极板相接触的电极的方向加速。

19、根据一个实施方式，电导体包括多个电导体。在此，该多个电导体可以在第一气体流动通道侧壁和/或第二气体流动通道侧壁后方至少部分地平行于第一方向延伸。在此，该多个电导体可以由相同的或不同的材料制成。

20、根据另一方面，给出了一种用于使上述燃料电池运行的方法，其中该方法具有以下步骤。设置燃料电池与包含低温氢气的罐经由第一气体线路的连接。通过使第一气体线路暴露于由于燃料电池运行而产生的废热来加热低温氢气，同时通过由低温氢气引起的散热来冷却高温超导体。如果现在向高温超导体施加电压，则高温超导体形成电磁场，其中该电磁场被设置成用于使反应物至少部分地朝电极的方向加速。

21、根据另一方面，给出了一种飞行器，其具有上述燃料电池。飞行器在此被理解为乘用飞行器、直升机、无人机、飞船或滑翔机。

22、燃料电池的应用领域还可以扩展到地面交通工具或固定的机械工程。